JP4068714B2 - 電磁波の指向性送信又は受信あるいはこれら双方のための装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも１つの送信／受信素子並びに誘電性レンズから構成されている電磁波の指向性送信及び／又は受信のための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この場合、以後総称してアンテナ素子という少なくとも１つの送信／受信素子は、電磁波の励起ないし電磁波の本来の受信の働きをする。誘電性レンズは指向性の形成ないし希望のアンテナローブの発生の働きをする。本発明による装置は例えば前方走行車両を検出するための自動車レーダ装置において使用される。
【０００３】
少なくとも１つのアンテナ素子並びに誘電性レンズから構成されているこのような装置は例えば欧州特許第４９８５２４号から既知である。そこには、前方走行車両を検出するために設けられた自動車レーダ装置もまた記載されている。この場合、いわゆるバイスタティック・レーダセンサ、即ち送信パス用及び受信パス用の別々のアンテナを有するレーダセンサが使用されている。この特殊性のほかに、両方のアンテナの各々は、それぞれの誘電性レンズ及び少なくとも１つのアンテナ素子から構成されている。このような装置においては、特に送信アンテナにおいては、１つ又は複数のアンテナ素子の開口角が原則として誘電性レンズより広いことが問題である。これは、発生された電磁波の一部が誘電性レンズを通過しないことを意味する。従って、この部分は誘電性レンズにより希望の方向に集束されず、これにより装置の総アンテナ利得が低下することになる。
【０００４】
国際出願公開ＷＯ第９７／０２４９６号に、同様に自動車に使用されるモノスタティック・レーダセンサが記載されている。ここで、モノスタティックとは、送信パス用及び受信パス用に同じアンテナが使用されることを意味する。この場合、このモノスタティック・レーダセンサは、少なくとも３つのアンテナ素子、並びにこれらの前に配置された１つの誘電性レンズから構成されている。送信の場合におけるレンズの超放射を回避するために、ここでは各アンテナ素子の前にいわゆるポリロッドが配置されている。ポリロッドは、その誘電特性に基づき発生電磁波の前集束を行うほぼ円錐形の誘電性本体と理解される。この装置においては、個々のポリロッドの正確な調節がむずかしい。各ポリロッドがその理想位置からきわめて僅かずれただけでもレンズの超放射を発生させる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、前集束する誘電性本体の調節が簡単な、少なくとも１つの送信／受信素子並びに誘電性レンズから構成されている電磁波の指向性送信及び／又は受信のための装置を提供することが本発明の課題である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明により、この課題は、前集束を行わせるために平面状に拡がりをなす誘電性ディスクが使用されることにより解決される。誘電性ディスクは、ハウジングのようにアンテナ素子を包囲する鉢形状の誘電性本体の頂面部を形成することが好ましい。誘電性ディスクの指向作用は、超薄膜効果に基づき、超薄膜効果は例えば１９９４年４月１２ないし１５日の「ＩＴＧ専門会議、アンテナ」で公開されたＨｅｌｍｕｔ Ｏｓｔｎｅｒ及びＪｕｅｒｇｅｎ Ｄｅｔｌｅｆｓｅｎの論文「ミリメートル波用の損失の小さい高集束アンテナ」に記載されている。誘電性ディスクが平面状に拡がりをなしていることにより、特に、ポリロッドの場合に必要となるような、場合により多数回行われる誘電性本体の横方向調節の必要性がなくなる。
【０００７】
本発明の有利な実施形態により、鉢形状誘電性本体はアンテナ素子の支持材料と共に気密ハウジングを形成する。これは、アンテナ素子のほかに特にガリウム砒素内に製作されたＭＭＩＣ（モノリシック・マイクロ波集積回路、モノリシック集積マイクロ波回路）を収容するために使用されることが有利である。このようなＭＭＩＣは原則としてその環境影響に対する感受性のために気密カプセル構造を必要とするが、この装置においてはその必要がない。従って、ガリウム砒素ＭＭＩＣの比較的高価な固有のシール構造が節約できる。必要に応じて、このハウジング内に、保護が必要な他の構成素子を実装してもよいことは明らかである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を図面に示す実施形態により詳細に説明する。図１は本発明による装置の断面を示す。この場合、金属基板１上に、好ましくはマイクロストリップ技術で製作された回路装置２が存在する。回路装置２は、誘電性材料例えば水晶又はキン青石からなり、その表面に金属導体構造を有している。この金属導体構造は、フィルタ回路及び分岐構造のほかに、特にこの場合パッチアンテナとして構成された３つのアンテナ素子３である。以後ＭＩＣ（マイクロ波集積回路）と呼ぶこの回路装置２の上方に、断面がＵ形の、従って全体として鉢形状の誘電性本体５が存在する。なお、鉢形状とは一端に開口を有し側面と頂面とにより凹部が形成される形状をいう。誘電性本体５は基板１と共にＭＩＣ２を囲むハウジングを形成する。誘電性本体５の頂面部５ａがＭＩＣ２の表面に平行に存在する。誘電性本体５の頂面部５ａは次の数式により計算される厚さｄ₂を有している。
【０００９】
【数３】

ここで、符号は次の意味を有する。
ｄ₂ 前記厚さ
ｍ 任意の自然数、ｍ＝１,２,３……
λ₀ 送信／受信波の自由空間波長
ｎ₂ 誘電性本体の頂面部の材料の屈折率
Θ_p 頂面部への垂線に対し測定された波の希望のビーム方向の角度
【００１０】
誘電性本体の頂面部５ａとＭＩＣ２の表面との間の距離はｄ₁で示され、次の数式により計算される。
【００１１】
【数４】

ここで、符号は次の意味を有する。
ｄ₁ 前記距離
ｍ 任意の自然数、ｍ＝１，２，３……
λ₀ 送信／受信波の自由空間波長
ｎ₁ 鉢形状の誘電性本体の頂面部とアンテナ素子との間の媒体の屈折率
Θ_p 頂面部への垂線に対し測定された波の希望のビーム方向の角度
【００１２】
誘電性本体５の頂面部５ａの上方にアンテナレンズ７が存在する。更に、誘電性本体５により包囲された領域内にＭＭＩＣ４（モノリシックマイクロ波集積回路）が示されている。誘電性本体５の左側側壁上並びに基板１内に気密にシールされた導体引込口６が示されている。
【００１３】
ＭＩＣ２及びＭＭＩＣ４は集積技術においてレーダ装置全体の高周波段の他の部分を含む。これらの内部で発生された電磁波は、パッチアンテナ３を介して放射され、まず一旦誘電性本体５により包囲された空間内に伝搬する。マックスウェルの方程式の物理的境界条件に応じて電磁波は誘電性本体５内に入り込むが、誘電性本体５に完全に入り込むのは所定の角度の範囲内のみである。頂面部厚さｄ₂、距離ｄ₁並びに頂面部材料の誘電率を適切に選択することにより、レンズ７に対し希望の前集束を達成することができる。例えば、７５ＧＨｚの送信周波数、Θ_p＝０°の波の希望の放射方向、屈折率ｎ₁＝１（空気）及び屈折率ｎ２＝平方根（１０）（Ａｌ₂Ｏ₃セラミック）に対して次の値が得られる。
ｄ₁＝２ｍｍ
ｄ₂＝０．３１６ｍｍ
【００１４】
この場合、材料の屈折率は既知のように付属の誘電率の平方根である。ｎ２／ｎ１の比が大きければ大きいほど、得られる前集束はより改善される。従って、誘電性本体に対する材料として、例えばＡｌ₂Ｏ₃セラミック、ＣａＺｒＯ３セラミック、ポリチタン酸バリウム又はＭｇＣａＴｉＯ₂のような高い誘電率を有するすべての材料が特に適している。
【００１５】
更に、誘電性本体の頂面部５ａの横方向拡がりは、頂面部５ａがすべてのアンテナ素子の作用面を覆うように大きくなければならない。この条件は、拡がりが両方の横方向に自由空間波長λ₀の少なくとも５倍であるときに近似的に満たされる。電気的特性を考慮して、誘電性本体の横方向拡がりは円であることが好ましい。しかしながら、構造的な理由から、例えば他の四角形の基本表面が使用されてもよい。
【００１６】
基板１及び誘電性本体５から構成されたハウジングは気密であり、即ちその中に実装された構成素子が外部環境から気密に密閉されていることが好ましい。これが、気密に密閉されていないときに必ず必要となる固有のカプセル構造を使用することなく、ＭＭＩＣ４を実装可能にすることは有利である。この場合、引込口６は、誘電性本体５及び／又は基板１及びＭＩＣ基板２内にメタルピンを接着剤又ははんだで封入することにより形成してもよい。この場合、場合により、市販の金属製のいわゆるバイアホールを誘電性本体及び／又はＭＩＣ基板内に挿入してもよい。
【００１７】
このように形成されたハウジングの気密密閉体は、上記のように、ガリウム砒素からなる構成素子がパッケージングされないで実装されるべきときに特に必要である。その理由は、この材料は、シリコンとは異なり、現在のところ酸化皮膜により十分に保護することができないからである。一方、保護がない場合、構成要素のドーピングプロフィールを破壊し続けることになろう。
【００１８】
この場合、鉢形状の誘電性本体５をできるだけ正確に製作することにより、前集束の正確な調節の手間は軽減される。装着それ自身は、本体と基板１とを接着又ははんだ付けで簡単に行うことができる。
【００１９】
Ｏｓｔｎｅｒ及びＤｅｔｌｅｆｓｅｎの上記の論文により、特に誘電性本体の頂面部５ａは層状の種々の誘電性材料から構成してもよい。更に、誘電性本体５の側壁は頂面部とは異なる他の材料で製作してもよい。図示の実施形態の他の修正形態として、例えば構造的な理由から、側壁を頂面部５ａに対し斜めに形成してもよい。同様に、本発明の実施形態は、アンテナ素子及びその付属回路をマイクロストリップ技術を用いて実行することに限定されない。従って、アンテナ素子として、例えばλ／２ダイポール又はホーン放射器のような他のすべての実施形態もまた使用可能である。更に、上記の数式内のｓｉｎ２Θ_pの項に基づき、レンズ７を誘電性本体５の前方で斜めに装着することもまた考えられる。
【００２０】
ここに記載の実施形態は、この場合、３放射形レーダ装置、即ち３つの別々のアンテナローブを有するレーダ装置を示している。しかしながら、ここに示した前集束は、例えば１放射形レーダ装置又は指向性無線装置のような他の送信及び／又は受信装置においても使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置の断面図である。
【符号の説明】
１ 金属基板
２ ＭＩＣ（マイクロ波集積回路）
３ 送信／受信素子（アンテナ素子）
４ ＭＭＩＣ（モノリシックマイクロ波集積回路）
５ 誘電性本体
５ａ 頂面部
６ 導体引込口
７ 誘電性レンズ

Claims (8)

1. 電磁波の励起ないし電磁波の本来の受信の働きをする少なくとも１つのアンテナ素子（３）と、
   電磁波の指向性の形成ないし希望のアンテナローブの発生の働きをする１つの誘電性レンズ（７）と、
   前記少なくとも１つのアンテナ素子と前記誘電性レンズとの間に配置された少なくとも１つの誘電性本体（５）と、から構成されている電磁波の指向性送信又は受信あるいはこれら双方のための装置において、
   前記誘電性本体は、前記アンテナ素子の上方に平面状に拡がりをなして存在すると共に、下端に開口を有し側面と頂面とにより凹部が形成された形状を有し、
   前記アンテナ素子を支持する基板と、前記誘電性本体とから構成されたハウジングは、気密であり、
   これらにより、前記アンテナ素子を介して放射された電磁波が前記誘電性本体により包囲された空間内に伝搬して前記誘電性本体内に入り込み、前記誘導性レンズに対し希望の前集束を達成することができ、
   前記誘電性本体は、前記アンテナ素子の周囲に存在するパッケージングされてない集積回路（ＩＣ）のカプセル構造として働くことを特徴とする装置。
2. 前記パッケージングされてないＩＣが、ガリウム砒素上に製作されたモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）であり、前記カプセル構造がパッケージングされてないＩＣを気密に包囲することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記誘電性本体の頂面部が、受信又は送信あるいはこれら双方の電磁波のビームパス内に存在し、前記頂面部が自由空間波長の少なくとも５倍の両横方向への拡がりを有することを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記誘電性本体の頂面部が、少なくとも次の条件を満たす厚さｄ₂を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の装置。
   

   

   ここで、符号は次の意味を有する。
   ｄ₂ 前記厚さｍ 任意の自然数、ｍ＝１，２，３……λ₀ 送信／受信波の自由空間波長ｎ₂誘電性本体の頂面部の材料の屈折率Θ_p 頂面部への垂線に対し測定された波の希望のビーム方向の角度
5. 前記誘電性本体の頂面部と前記少なくとも１つのアンテナ素子が存在する平面との間に、少なくとも次の条件を満たす間隔ｄ₁が存在することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の装置。
   

   

   ここで、符号は次の意味を有する。
   ｄ₁ 前記距離ｍ 任意の自然数、ｍ＝１，２，３……λ₀ 送信／受信波の自由空間波長ｎ₁ 誘電性本体の頂面部と少なくとも１つのアンテナ素子との間の媒体の屈折率Θ_p 頂面部への垂線に対し測定された波の希望のビーム方向の角度
6. 前記誘電性本体の頂面部がセラミックからなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記誘電性本体の頂面部が層状の種々の誘電性材料から構成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記誘電性本体又はそれと結合されている支持材料あるいはこれら双方が電気的に有効な気密の引込口を有することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の装置。

Images